物聯網(IoT)影響所及幾乎包括現代生活的各個層面。透過收集和分析巨量資料,我們可以管理自己的健康、減少家庭和工作中的能源消耗、監控和改善當地環境等,以及其他許多面向。

物聯網的潛在應用是如此多元,不過它們還是有一些共通的關鍵特性。負責收集資料的裝置必須夠小、易用且幾乎要時時運作。這些要求在穿戴式裝置中可能是最顯而易見的,目前全球已有數百萬的人們使用穿戴式裝置來追蹤自己的活動、監測並改善自己的健康。

為了收集這些必要的資料,穿戴式裝置必須時常使用,因此體積必須夠小以及夠舒適,而且必須要能夠持續運作很長的時間。智慧家庭感測節點和其他物聯網應用也面對相同的要求。

這就引發了如何供電給這些裝置的問題。最理想的方式是能直接從所處環境中汲取能源,如此它們就能擁有源源不絕的電力。雖然在降低功耗及改善能量採集方面已取得長足進展,然而要實現這個理想仍有一些距離。在可預見的未來,我們仍需要仰賴電池提供主要電源。特別是為了盡量降低數十億裝置的電力浪費,可充電電池可能仍是未來數年的電源選擇。

穿戴式裝置的首選

穿戴式裝置的尺寸受到嚴格限制,而且為了長時間穿戴也必須極其舒適,這意謂著它們必須夠輕,所以電池必須盡可能的小。還有,根據IDC和GMI的多項研究顯示,電池壽命是消費者購買電池供電可攜式裝置時考慮的首要因素。因此,產品的成功與否,高電池容量是關鍵所在。

為了同時滿足這兩方面的要求,使得電池所面臨的挑戰提升到另一個層次。幸運的是,鋰離子電池擁有許多足以克服此一挑戰的特性,使其成為穿戴應用的理想選擇。

首先,它們提供高能量密度,讓系統設計人員可以選擇更輕巧的電池,同時還能提供更長的運作時間。在此同時,相較於鎳氫(NiMH)電池和鎳鎘(NiCd)電池的操作電壓是1.2V,鋰離子電池的操作電壓一般是3.7V,這就意謂鋰離子電池需要更少的單電池(cell)數量,才能進一步實現更小、更輕的系統。再者,它們還具有比鎳基電池更低的自放電率:每月約2%,相形之下,NiMH和NiCd則是每天高達5%。因此所需充電次數較少,而且長時間未動作後,可立即使用的可能性也較高——這讓系統更便於使用。

當然,所有技術都有其不足之處。例如,相較於鎳基充電電池,鋰離子電池的製造較為複雜,價格也比較高。然而,隨著產品大量生產,它的規模經濟和持續的技術進展正快速降低成本。

正如近日新聞標題所突顯的,鋰離子電池也具有更高的潛在安全風險。它們使用易燃的電解質,如果充電電壓太高或太低,都可能導致電池著火或爆炸。大部份的鋰離子電池具有內部保護電路,就某種程度而言可以防止過壓或欠壓。然而,相較於鎳基電池,鋰離子電池仍需要更精密的充電程序。

(表1)20170123 Dialog TA31P1

充電的挑戰

為了避免這些安全問題,鋰離子電池需要恆定電流(CC)、恆定電壓(CV)的充電過程。在這個過程中,電池一開始會以固定的電流充電,直到它達到設定電壓。然後,此充電電路會切換至恆定電壓模式,提供必要的電流以維持電壓的設定值。

電流和電壓級的選擇必須小心平衡,以取得最佳的結果。利用較高電壓充電能增加電池容量,然而,過高的電壓可能會對電池施加壓力或過度充電,導致永久性損壞、不穩定和危險。同樣的,較高的充電電流可以加速充電,但對電池容量會有影響:將充電電流減少30%可讓電池儲存的電荷增加達10%。

一般來說,充電電流會被設定為電池容量(電池可供電一小時的最大電流)的一半,電壓則設定為每電池單元4.2V。然而,已經知道的是,使用稍低的電流和電壓值可以減少電池的老化,使其能在更久的充電週期中保持更高的充電容量。

確保安全性

因為這樣的複雜性,充電方案必須要能夠密切監測充電電流和電壓,並且提供穩定的控制電路,以期在充電週期的適當時點維持適當數值(亦即在第一階段保持電流恆定,以及在第二階段保持電壓恆定)。

此外,充電方案也必須根據嚴格的標準進行全面測試。這些標準涵蓋的測試條件範圍很廣,比起鎳基電池充電的要求更多,並且具有額外的電池特定測試。

JEITA規範

日本電子和資訊技術產業協會(JEITA)已發展出說明鋰離子電池使用和充電的規範。雖然此規範僅是準則,而非認證組織所擬定的嚴格標準,但此規範已獲產業普遍接受,有助於確保鋰離子電池的使用安全。

JEITA規範針對安全充電定義了最低溫度(T1)、最高溫度(T4)及介於兩者之間的三種溫度區間(低、中和高)。請見圖1,針對每一溫度區間定義最大安全電流。

20170123 Dialog TA31P2 圖1:JEITA規範針對鋰離子電池安全充電所訂定的溫度範圍

‧ 低溫區間:最大電流是電池容量的50% ‧ 標準溫度區間:最大電流是電池容量的70% ‧ 低溫區間:最大電流是電池容量的60%

圖2顯示這些安全電流及其對應的安全電壓區域。

20170123 Dialog TA31P3 圖2:根據JEITA規範鋰離子電池充電的安全電流和電壓

採用能效晶片實現安全充電

穿戴式裝置以及其他許多物聯網裝置的尺寸及重量都受到嚴格限制。為了協助確保安全的電池充電,同時符合小體積的要求,Dialog SmartBond DA1468x系統單晶片(SoC)的整合型電池管理功能(具備一些外部元件和連結)可充分支援JEITA規範。

此功能的核心是靈活的CC/CV充電演算法。支援200μA至400mA的電流,此演算法允許對具有一定容量範圍的電池進行充電。圖3顯示DA1468x SoC如何連接至電池以進行充電。

20170123 Dialog TA31P4 圖3:具有Dialog DA14680或 DA14681的鋰離子電池充電電路

此演算法定義四個不同的充電階段:預充電、恆定電流、恆定電壓和電壓監測。

充電週期

在偵測到輸入電壓後,充電隨即開始。如果電池嚴重耗盡(例如電壓小於3V),則演算法會啟動預充電階段。在這個階段,電池是以低電流(大約電池容量的10%)進行「預充電」,直到電池已準備好接受完整的充電電流。這能防止過熱。

一旦電池電壓達到適當的水平,演算法會切換至恆定電流階段。電池以更高的電流(達到電池容量)充電,直到電壓達到4.2V(典型值)。此時,充電器進入恆定電壓階段,以避免過充電的風險。在這個階段,電壓保持在4.2V,而電流下降到約電池容量的10%。從恆定電流到恆定電壓的轉變是漸進且平順的,以避免損壞電池。

此時電池已充滿電,如果它保持連接,則充電器進入電壓監測階段,並提供週期性充電電荷以抵消電池的自放電。這通常是在電池的開放電路電壓下降到4.0V以下時完成。

20170123 Dialog TA31P5 圖4:Dialog DA14680和DA14681的充電週期

在此基本週期內,系統設計人員可調整一些參數以設定充電程序,包括: ‧ 預充電電流(應設定為10%;亦即介於1和15mA) ‧ 預充電電壓Vpcv (應設定為3.05V) ‧ 預充電計時器(預設值=15分鐘) ‧ 恆定充電電流Icc (應設定為70%) ‧ 充電電壓Vfloat (範圍為4.2–4.6V) ‧ 恆定電流(CC)計時器(預設值=180分鐘) ‧ 恆定電壓(CV)計時器(預設值=360分鐘)

內建保護功能

為了協助確保安全,Dialog的節能解決方案DA14680和DA14681提供許多內建保護功能,以防止因非標準充電情況所造成的問題。 包括針對以下問題的防護: ‧ 欠電壓放電 ‧ 過電壓充電 ‧ 過電流充電 ‧ 預充電、恆定電流和恆定電壓階段的超時 ‧ 低及高電池溫度(使用外部負溫度係數NTC和連接)

強烈建議電池應具有自身的內部保護,以防止過壓充電、欠壓放電和過電流放電/充電。此外,電池必須具有內部負溫度係數(NTC)感測器,且應該連接至DA14680或DA14681的NTC接腳。此接腳也應該連接至類比數位轉換器(ADC)輸入(例如ADC5)。

安全、便利和可靠的穿戴式裝置

穿戴式裝置產業正在快速成長,而且在未來幾年內仍將持續成長。系統功耗以及能量採集的潛力正持續進展。然而,穿戴式裝置要能從周圍環境採集電源仍然是一個遙遠的目標,因此,供電給穿戴式裝置與其他高功能物聯網應用仍然有賴於充電式電池。

鋰離子技術能實現更小巧的電池且具更大的容量,協助系統設計人員克服外觀尺寸的限制,並提供更長的電池壽命,而這正是消費者所期盼的。它們擁有更高的工作電壓,這意謂著需要的電池單元更少,能進一步縮小系統尺寸並提升設計靈活性。

但是這些電池需要更精密的充電解決方案,以確保安全高效的充電。例如,Dialog的DA1468x系列提供電池管理整合功能,包括符合JEITA規範的充電演算法和內部保護功能。將這些功能全整合於一個單一晶片上,有助於進一步縮減系統尺寸,同時最大化設計彈性和簡化設計過程。如此一來,設計人員可以加速提供功能豐富、舒適和外型吸引人的穿戴式裝置。